L’électrolyse à haute température : la révolution du CEA

Le CEA a récemment développé l’électrolyse à haute température, proposant un rendement incroyable : 99% ! Ils sont maintenant en train de l’industrialiser avec plusieurs partenaires à travers l’entreprise jointe Genvia.

Le dihydrogène est considéré comme une partie importante de la transition énergétique, notamment pour remplacer le pétrole comme carburant des véhicules. En effet : ce gaz ne produit, quand il est utilisé, que de l’eau et n’a besoin, pour être produit, que d’eau.

C’est un parfait vecteur énergétique.

Enfin, parfait … pas tout à fait. Il a en effet un rendement assez médiocre : de l’ordre de 25-30% de l’électrolyse au moteur électrique selon l’ADEME (contre 80% pour l’électricité en batterie). De plus, il est actuellement surtout produit par vaporéformage du méthane, qui libère 10kg de CO2 pour 1kg d’hydrogène, sans même compter l’énergie nécessaire …

Une innovation récente du CEA pourrait néanmoins changer beaucoup de choses : l’électrolyse à haute température.

L’électrolyse à haute température : intérêt

L’électrolyse haute température atteint un rendement de 99% en pouvoir calorifique supérieur (PCS), contre de l’ordre de 72% pour l’électrolyse alcaline ou 80% pour la PEM.

L’idée est que

  • il y a besoin de moins d’énergie pour casser une molécule de vapeur d’eau que pour casser une molécule d’eau liquide.
  • la chaleur de l’environnement augmente la part de l’énergie électrique pouvant être remplacée par l’énergie thermique.

De plus, l’opération est réversible: l’électrolyseur peut devenir une pile à combustible.

Enfin, cette technologie peut aussi électrolyser du dioxyde de carbone, ce qui produirait un mélange H2 / CO, qui pourrait être transformé en différentes molécules d’intérêt.

L’électrolyse à haute température : principe

Les matériaux

Comme toujours avec l’électrolyse, vous avez deux électrodes et un électrolyte (qui permet le « dialogue » entre les premières). L’électrolyte est ici « une membrane solide, dense et étanche au gaz. Celle que nous développons est à base de céramique (de l’oxyde de zirconium stabilisé à l’oxyde d’yttrium, la zircone yttriée). » (Julie Mougin, cheffe du service composants et système Hydrogène au CEA-Liten)

L’électrode « à hydrogène » est composée de cermet (matériau composite métal-céramique), de nickel et de zircone yttriée.

L’électrode « à oxygène » est composée d’un matériau céramique « de structure perovskite ».

La réaction

Le système part d’une eau chauffée (par cogénération on suppose) à 150°C (ce qui est « assez courant sur de nombreux sites industriels, les stations d’incinération ou la géothermie« ).

Celle-ci va être chauffée à 700°C par un système assez complexe. En somme, une fois le système à un certain équilibre, le point « thermo-neutre », la température est stable : la chaleur produite par la cellule en sortie est récupérée pour chauffer la vapeur d’eau en entrée et, ainsi, compenser la perte thermique de l’électrolyse, qui est une réaction légèrement endothermique (= qui « perd » de la chaleur »).

Genvia : le projet industriel

Pour exploiter cette nouvelle technologie, Genvia a été créée le 1er mars 2021 par :

  • CEA;
  • Schlumberger New Energy;
  • leurs partenaires (Vinci Construction; Vicat ; Agence Régionale Energie Climat (AREC) Occitanie).

L’entreprise sera présidée par Florence Lambert, ancienne directrice du CEA-Liten à Grenoble. Une « Gigafactory » sera implantée à Béziers et le centre de transfert technologique sera basé au CEA-Grenoble.

Ils estiment développer des démonstrateurs de 300KW en 2022. En 2030, l’entreprise devrait produire des unitées de plusieurs centaines de MW en 2030. L’hydrogène qu’ils produiraient couterait moins de 2€/kg.

J’en parle plus dans l’article dédié à Genvia.

Pour aller plus loin

https://www.youtube.com/watch?v=aOMsY2q5jnk